激光原理教案第七章

1、第七章第七章 激光器特性的控制与改善激光器特性的控制与改善 从一台简单激光器出射的激光束，其性能从一台简单激光器出射的激光束，其性能往往体不能满足应用的需要，因此不断地往往体不能满足应用的需要，因此不断地发展了旨在控制与改善激光器输出特件的发展了旨在控制与改善激光器输出特件的各种单元技术。为了改善激光器输出光的各种单元技术。为了改善激光器输出光的时间相干性或空间相干件，发展了模式选时间相干性或空间相干件，发展了模式选择、稳频及注入锁定技术。为了获得窄脉择、稳频及注入锁定技术。为了获得窄脉冲高峰值功率的激光束，发展了冲高峰值功率的激光束，发展了Q调制、调制、锁模、增益开关及腔倒空等技术锁模、增益

2、开关及腔倒空等技术。7、1 模式选择模式选择 理想激光器的输出光束应只具有理想激光器的输出光束应只具有个模式，个模式，然而若不采取选模措施，多数激光器的工作状然而若不采取选模措施，多数激光器的工作状态往往是多模的。含有高阶横模的激光束光强态往往是多模的。含有高阶横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角较大。含有多纵模及分布不均匀，光束发散角较大。含有多纵模及多横模的激光束单色性及相干性差。激光准直、多横模的激光束单色性及相干性差。激光准直、激光加工、非线性光学研究、激光中远程测距激光加工、非线性光学研究、激光中远程测距等应用均需基横模激光束。而在精密干涉计量、等应用均需基横模激光束。而在精密干涉

3、计量、光通信及大面积全息照相等应用中不仅要求激光通信及大面积全息照相等应用中不仅要求激光是单横模的，同时要求光束仅含有一个纵模。光是单横模的，同时要求光束仅含有一个纵模。一、横模选择一、横模选择谐振腔中不同横模具有不同的损耗是横模选谐振腔中不同横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础。在稳定腔小，基模的衍射损择的物理基础。在稳定腔小，基模的衍射损耗最低，随着横模阶次的增高，衍射损耗将耗最低，随着横模阶次的增高，衍射损耗将迅速增加。迅速增加。 在各个横模的增益大体相向的条件下，不同在各个横模的增益大体相向的条件下，不同横模间衍射损耗的差别就是进行横模选择的横模间衍射损耗的差别就是进行横模选择的根据

4、。因此，必须尽量增大高阶横模与基模根据。因此，必须尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比，损耗比越大，则横模鉴别力的衍射损耗比，损耗比越大，则横模鉴别力越高。同时还应使衍射损耗在总损耗中占有越高。同时还应使衍射损耗在总损耗中占有足够的比例足够的比例 衍射损耗的大小及模鉴别力的高低与谐衍射损耗的大小及模鉴别力的高低与谐振腔的腔型和菲涅耳数有关振腔的腔型和菲涅耳数有关1小孔光阑选模小孔光阑选模在谐振腔内设置小孔光阑或限制工作物质在谐振腔内设置小孔光阑或限制工作物质横截面积可降低谐振腔的菲涅尔数，增加横截面积可降低谐振腔的菲涅尔数，增加衍射损耗，从而使激光器实现基横模运行。衍射损耗，从而使激光器实现基横

5、模运行。这这方法的实质是使光斑尺寸较小的基模方法的实质是使光斑尺寸较小的基模无阻挡地通过小孔光阑，而光班尺寸较大无阻挡地通过小孔光阑，而光班尺寸较大的高阶横模却受到阻拦而遭受较大的损耗。的高阶横模却受到阻拦而遭受较大的损耗。由于在谐振腔的不同位置，光斑尺寸不由于在谐振腔的不同位置，光斑尺寸不同所以小孔光阑的大小因其位置而异。同所以小孔光阑的大小因其位置而异。 2、谐振腔参数、谐振腔参数g/N选择法选择法3、非稳腔选模、非稳腔选模 4微调谐振腔微调谐振腔 对于平面腔，当腔镜倾斜时基模损耗增加对于平面腔，当腔镜倾斜时基模损耗增加最显著，腔的偏调有利于高阶模的优先振最显著，腔的偏调有利于高阶模的优先

6、振荡。对于稳定腔，由于基模体积最小面高荡。对于稳定腔，由于基模体积最小面高阶模的体积较大，当腔镜发生倾斜时高阶模的体积较大，当腔镜发生倾斜时高阶横模损耗显著增大，基模受到的影响较阶横模损耗显著增大，基模受到的影响较小，因而仍可继续维持振荡。这样，适当小，因而仍可继续维持振荡。这样，适当将腔镜倾斜就可以抑制高阶横模。将腔镜倾斜就可以抑制高阶横模。 二、纵模选择二、纵模选择 在激光工作物质中，往往存在多对激光振荡能在激光工作物质中，往往存在多对激光振荡能级，可以利用窄带介质膜反射镜、光栅或棱镜级，可以利用窄带介质膜反射镜、光栅或棱镜等组成色散腔获得特定波长跃迁的振荡。本节等组成色散腔获得特定波长跃

7、迁的振荡。本节讨论如何在特定跃迁谱线宽度范围内获得单纵讨论如何在特定跃迁谱线宽度范围内获得单纵模振荡的方法。模振荡的方法。 一般谐振腔中不同纵模有着相同的损耗，但一般谐振腔中不同纵模有着相同的损耗，但由于频率的差异而具有不同的小信号增益系数。由于频率的差异而具有不同的小信号增益系数。因此，扩大和充分利用相邻纵模间的增益差，因此，扩大和充分利用相邻纵模间的增益差，或人为引入损耗差是进行纵模选择的有效途径。或人为引入损耗差是进行纵模选择的有效途径。 1短腔法短腔法 缩短谐振腔长度，可以增大相邻纵模间缩短谐振腔长度，可以增大相邻纵模间隔，以致在荧光谱线有效宽度内，只存在隔，以致在荧光谱线有效宽度内，

8、只存在一个纵模，从而实现单纵模振荡。一个纵模，从而实现单纵模振荡。 2行波腔法行波腔法 在均匀加宽激光器中，虽然增益饱和过程中的在均匀加宽激光器中，虽然增益饱和过程中的模竞争效应有助于形成单纵模振荡，由于驻波腔模竞争效应有助于形成单纵模振荡，由于驻波腔中空间烧孔的存在，当激励足够强时，仍然出现中空间烧孔的存在，当激励足够强时，仍然出现多纵模振荡。若采用环行腔，并在腔内插入一个多纵模振荡。若采用环行腔，并在腔内插入一个只允许光单向通过的隔离器，可形成无空间烧孔只允许光单向通过的隔离器，可形成无空间烧孔的行波腔，从而实现单纵模振荡。的行波腔，从而实现单纵模振荡。 3选择性损耗法选择性损耗法 若在腔

9、内插入标准具或构成组合腔，则由于若在腔内插入标准具或构成组合腔，则由于多光束干涉效应，谐振腔具有与频率有关的选多光束干涉效应，谐振腔具有与频率有关的选择性损耗，损耗小的纵模形成振荡，损耗大的择性损耗，损耗小的纵模形成振荡，损耗大的纵模则被抑制。纵模则被抑制。 72 频率稳定频率稳定 激光的特点之一是单色性好，即其线宽与频率激光的特点之一是单色性好，即其线宽与频率比值很小。自发辐射噪声引起的激光线宽极限比值很小。自发辐射噪声引起的激光线宽极限确实很小，但由于各种不稳定因素的影响，实确实很小，但由于各种不稳定因素的影响，实际激光频率的漂移远远大于线宽极限。在精密际激光频率的漂移远远大于线宽极限。在

10、精密干涉测量、光频标、光通信、激光陀螺及精密干涉测量、光频标、光通信、激光陀螺及精密光谱研究等应用领域中，需要频率稳定的激光。光谱研究等应用领域中，需要频率稳定的激光。为了改善频率稳定性通常采用电子伺服控为了改善频率稳定性通常采用电子伺服控制激光频率，当激光频率偏离标准频率时，制激光频率，当激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差信号控制腔长，使激光频鉴频器给出误差信号控制腔长，使激光频率自动回到标准频率，通常所说的频率稳率自动回到标准频率，通常所说的频率稳定特性包含着频率稳定性及频率复现性两定特性包含着频率稳定性及频率复现性两个方面。个方面。 一、兰姆凹陷稳频一、兰姆凹陷稳频 兰姆凹陷法以增益

11、曲线中心频率兰姆凹陷法以增益曲线中心频率v0为参为参考标准频率，电子伺服系统通过压电陶瓷考标准频率，电子伺服系统通过压电陶瓷控制激光器的腔长，使频率稳定于控制激光器的腔长，使频率稳定于v0。单纵单纵模激光器安装在殷钢或石英制成的谐振腔模激光器安装在殷钢或石英制成的谐振腔间隔器上，其中间隔器上，其中块反射镜贴在压电陶瓷块反射镜贴在压电陶瓷环上，当压电陶瓷外表面加正电压、内表环上，当压电陶瓷外表面加正电压、内表面加负电压时压电陶瓷伸长，反之则缩短，面加负电压时压电陶瓷伸长，反之则缩短，因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。 为了改善频率稳定性，希望微弱的频率为了改

12、善频率稳定性，希望微弱的频率漂移就能产生足以将频率拉回漂移就能产生足以将频率拉回v0的误差信号，的误差信号，这就要求兰姆凹陷窄而深。凹陷的深度和激这就要求兰姆凹陷窄而深。凹陷的深度和激发参量发参量gm 成正比，所以使激光器工作于成正比，所以使激光器工作于最佳电流并降低损耗可以增加凹陷深度。凹最佳电流并降低损耗可以增加凹陷深度。凹陷宽度陷宽度 v则正比于则正比于 v L，因而正比于气，因而正比于气压故降低气压可使凹陷变窄，但气压过低压故降低气压可使凹陷变窄，但气压过低会使激光器功率降低，甚至使激光不能产生。会使激光器功率降低，甚至使激光不能产生。 二、塞曼稳频二、塞曼稳频 利用塞曼效应稳频的方法

13、可分为纵向塞利用塞曼效应稳频的方法可分为纵向塞曼稳频曼稳频(外磁场方向与激光管轴线平行外磁场方向与激光管轴线平行)、横向塞曼稳频及塞曼吸收稳频横向塞曼稳频及塞曼吸收稳频(利用腔内吸利用腔内吸收介质的塞曼效应稳频）等三种。本节以收介质的塞曼效应稳频）等三种。本节以纵向塞曼稳频的氦氖双频激光器为例说明纵向塞曼稳频的氦氖双频激光器为例说明塞曼稳频的原理塞曼稳频的原理。双频激光器稳频的方法之一双频激光器稳频的方法之一:测出二圆偏振光测出二圆偏振光输出功率差值，作为鉴频的误差信号，通过输出功率差值，作为鉴频的误差信号，通过伺服控制系统控制激光器腔长。伺服控制系统控制激光器腔长。 左、右旋圆左、右旋圆偏振

14、光的频率差与无源腔频率有关，偏振光的频率差与无源腔频率有关，vq0=v0时，时，最小，利用拍频方法测出左、右旋圆偏振最小，利用拍频方法测出左、右旋圆偏振光的频差可以提供鉴频的误差信号。光的频差可以提供鉴频的误差信号。 双频稳双频稳频激光器的频率稳定性可达频激光器的频率稳定性可达1010l011频频率复现性为率复现性为107108,构成的干涉仪具有较构成的干涉仪具有较强的抗干扰能力，可用于工业中的精密计量。强的抗干扰能力，可用于工业中的精密计量。三、饱和吸收稳频三、饱和吸收稳频 前面都是以增益曲线中心频率前面都是以增益曲线中心频率v0作为参考标作为参考标准频率，但准频率，但v0易受放电条件的影响

15、而发生变化，易受放电条件的影响而发生变化，因此频率复现性差。为了提高稳频精度，希因此频率复现性差。为了提高稳频精度，希望降低气压以提高兰姆下陷的锐度但激光望降低气压以提高兰姆下陷的锐度但激光管不能在过低的气压下工作，因此频率稳定管不能在过低的气压下工作，因此频率稳定性的进一步减少也受到限制。性的进一步减少也受到限制。 饱和吸收稳频：在外腔激光器的腔内置一饱和吸收稳频：在外腔激光器的腔内置一吸收管，吸收管内的气体在激光振荡频率处吸收管，吸收管内的气体在激光振荡频率处有强吸收峰。吸收管内气压很低，通常只有有强吸收峰。吸收管内气压很低，通常只有110Pa。低压气体吸收峰的频率很稳定，因。低压气体吸收

16、峰的频率很稳定，因此频率复现性好。此频率复现性好。当入射光足够强时，由于下能级粒子数的减当入射光足够强时，由于下能级粒子数的减少和上能级粒子数的增加，吸收系数将随入少和上能级粒子数的增加，吸收系数将随入射光强之增加而减小，这就是吸收饱和现象。射光强之增加而减小，这就是吸收饱和现象。吸收饱和现象和前面讨论的增益饱和现象是吸收饱和现象和前面讨论的增益饱和现象是完全类似的。若把吸收看成负增益，则关于完全类似的。若把吸收看成负增益，则关于增益饱和的全部理论均可用于吸收饱和。由增益饱和的全部理论均可用于吸收饱和。由于吸收管内气压很低，吸收谱线主要是多普于吸收管内气压很低，吸收谱线主要是多普勒加宽。勒加宽。四、无源腔稳频四、无源腔稳频 外界无源腔的特征频率也以用作稳频的参外界无源腔的特征频率也以用作稳频的参考频率。图中法考频率。图中法珀干涉仪的透过率随光频珀干涉仪的透过率随光频率变化，激光频率的变化将引起透过法率变化，激光频率的变化将引起透过法珀珀干涉仪光功率的变化